精氨酸對肺損傷的保護效應(yīng)及機制的進展

蘇昕妍 金燦 池永學(xué)

延邊大學(xué)附屬醫(yī)院兒科，延邊 133000

急性肺損傷與高發(fā)病率和高病死率密切相關(guān)，其特征是快速發(fā)作的呼吸衰竭、嚴重的低氧血癥和靜態(tài)呼吸系統(tǒng)順應(yīng)性降低。急性肺損傷可進展到急性呼吸窘迫綜合征，急性肺損傷和急性呼吸窘迫綜合征是復(fù)雜的多階段過程，可能是由肺部特異性機制引起的，尤其是嚴重肺炎、栓塞（血栓、空氣、脂肪）、吸入胃內(nèi)容物、胸外傷等，另外，本病也有可能因全身性疾病引起，如敗血癥、腹膜炎、胰腺炎、出血性休克、燒傷和大量輸血等。多種機制破壞肺泡上皮細胞以及肺毛細血管內(nèi)皮細胞，從而引起彌漫性肺間質(zhì)、肺泡水腫，這是目前研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征的根本機制［1-2］。急性肺損傷的病理生理學(xué)基礎(chǔ)是炎癥級聯(lián)反應(yīng)，涉及多種炎癥細胞、介質(zhì)和細胞因子。在肺部疾病中，肺泡的巨噬細胞發(fā)揮著重要的作用，它的表面上有多種受體，在炎性反應(yīng)中，肺泡巨噬細胞可被激活，因此釋放大量的促炎細胞因子，如白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、IL-8和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等。其中，多項研究發(fā)現(xiàn)TNF-α在急性肺損傷發(fā)生、發(fā)展中起著關(guān)鍵性作用，TNF-α能夠?qū)⑷砘蚓植垦仔苑磻?yīng)進行啟動、加劇以及進一步延續(xù)，使之逐步放大形成我們所熟知的“瀑布級聯(lián)反應(yīng)”，此外，TNF-α還可能在其他途徑進一步加劇急性肺損傷，例如誘生其他內(nèi)源性炎性介質(zhì)、激活凝血系統(tǒng)及補體系統(tǒng)等；IL-8可使中性粒細胞激活，并上調(diào)白細胞和血管內(nèi)皮細胞的黏附分子的表達，同時還促進L-選擇素及白細胞黏附分子-1的表達增加，進一步促進多形核白細胞、內(nèi)皮細胞黏附跨內(nèi)皮對肺進行浸潤，諸多炎性介質(zhì)構(gòu)成了急性肺損傷的“細胞因子網(wǎng)絡(luò)”，再加上白細胞可通過肺微循環(huán)途徑在血管內(nèi)皮上進行趨化、黏附并聚集，大量花生四烯酸及氧自由基等脂質(zhì)代謝物被機體反饋性地釋放，其中增多的氧自由基可損害肺血管內(nèi)皮細胞，血管內(nèi)皮細胞進行性增高，使得血漿蛋白滲透進肺間質(zhì)，造成肺間質(zhì)水腫、出血和透明膜形成、炎性細胞浸潤及肺間質(zhì)纖維化［3-5］。

目前臨床尚無對于急性肺損傷的特效治療措施，主要通過機械通氣、膜肺技術(shù)、吸入一氧化氮（nitric oxide，NO）進行支持療法，其療效尚不確切［6］。因此如何預(yù)防和治療急性肺損傷仍是目前研究的重要課題。

精氨酸（arginine）盡管被歸類為非必須氨基酸，但精氨酸是健康成年人中尿素、多胺、脯氨酸和其他蛋白質(zhì)的合成所必要的氮載體，具有免疫調(diào)節(jié)活性且能夠減輕炎性反應(yīng)的作用［7］。精氨酸是谷氨酰胺（通過形成谷氨酸）和脯氨酸通過腸-腎軸代謝的產(chǎn)物，精氨酸在精氨酸酶的催化作用下參與鳥氨酸循環(huán)，促進尿素的形成而使人體內(nèi)的氨變成無毒尿素，在一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）的催化下生成NO而發(fā)揮生理效應(yīng)，這一生化過程稱為精氨酸-NO通路［8］。在分解代謝條件下，蛋白質(zhì)降解成為精氨酸的主要來源，在燒傷、感染等病變情況下，血漿精氨酸水平顯著降低。多項研究顯示，腸道黏膜免疫屏障損傷及重型顱腦損傷后的免疫功能和蛋白代謝紊亂都可被精氨酸所改善，并且研究發(fā)現(xiàn)，精氨酸對于多種因素所造成的肺損傷具有一定的療效。在綿羊、兔和嚙齒動物肺損傷動物模型中血漿精氨酸濃度降低，這可能是由于肝外組織中精氨酸酶-II的表達增加以及肝精氨酸酶-I和肝外精氨酸酶II漏入血液，導(dǎo)致精氨酸過度水解為鳥氨酸和尿素所致。補充精氨酸會導(dǎo)致精氨酸的生物利用度增加，從而恢復(fù)內(nèi)皮功能，減少炎性反應(yīng)，改善支氣管上皮屏障和線粒體功能障礙，從而改善肺功能［9］。精氨酸的作用較為復(fù)雜，分以下幾點進行論述。

精氨酸可通過產(chǎn)生大量NO預(yù)防或治療急性肺損傷

NO具有多種生物學(xué)效應(yīng)，如調(diào)節(jié)血管血流、調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)以及參與炎性反應(yīng)。吸入NO在重癥監(jiān)護病房之外并不廣泛，因為其成本仍然高得令人望而卻步，而增加NO水平的一種間接方法即補充精氨酸，它是一種提高患者體內(nèi)NO水平的更具成本效益的方法［10］。在NOS催化作用下，精氨酸發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生NO，NOS有神經(jīng)型NOS、誘導(dǎo)型NOS和內(nèi)皮型NOS三種亞型，催化精氨酸產(chǎn)生NO的過程需要多種輔因子介導(dǎo)，其主要成分為黃素蛋白，NOS的同工酶利用分子氧和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）充任雙加氧酶，將精氨酸轉(zhuǎn)化為瓜氨酸和NO，其中四氫生物蝶呤是所有NOS的關(guān)鍵輔助因子。因此，在精氨酸和四氫生物蝶呤相對缺乏時會導(dǎo)致NOS活性“解偶聯(lián)”，NOS會生成超氧化物而非NO，因此，NO的產(chǎn)生取決于足夠量的底物和/或輔因子即精氨酸和四氫生物蝶呤。盡管所有NOS都可能產(chǎn)生超氧陰離子，但誘導(dǎo)型NOS最有可能在體內(nèi)產(chǎn)生超氧陰離子。這些特性可能定義了誘導(dǎo)型NOS在宿主免疫中的作用，使其參與抗微生物和抗腫瘤活性。但是誘導(dǎo)型NOS也有助于過氧亞硝酸鹽的形成，過氧亞硝酸鹽已被證明具有細胞毒性，可引起細胞DNA損傷并增加血管通透性。過氧亞硝酸鹽可能導(dǎo)致器官衰竭，例如急性肺損傷或腎衰竭。因此，恢復(fù)精氨酸濃度的將降低過氧亞硝酸鹽形成的可能性，從而可能減輕急性肺損傷。有研究表明，L-精氨琥珀酸可以在精氨琥珀酸合酶的作用下由L-瓜氨酸所轉(zhuǎn)化，而L-精氨琥珀酸隨后通過精氨琥珀酸裂解酶轉(zhuǎn)化為精氨酸，這兩種酶均存在于哺乳動物和鳥類的肺和其他組織中，通過不斷實驗表明通過口服或靜脈給藥L-瓜氨酸可以提高精氨酸的循環(huán)水平和NO的全身合成，從而改善高氧引起的急性肺損傷［9，11］。正如前面所提到的，肺泡巨噬細胞是機體重要的炎癥細胞，在肺部疾病中起著重要的作用，是肺部抵抗病原微生物和肺損傷的第一道防線，故有文獻表明NO可以通過改變肺泡巨噬細胞釋放細胞因子而起到免疫調(diào)節(jié)劑的作用［12］。研究發(fā)現(xiàn)，NO可以抑制TNF-α分泌，補充精氨酸后可提高胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）的分泌，而GLP-1又會刺激NO產(chǎn)生增加并抑制核因子（NF）-κB通路，同時間接抑制TNF-α分泌以此抑制炎性反應(yīng)［10］。有研究闡明，利用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導(dǎo)的大鼠模型中發(fā)現(xiàn)先舌下靜脈注射LPS后給予精氨酸治療能對肺損傷產(chǎn)生保護作用，并提出精氨酸可負反饋抑制NF-κB信號通路，NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的過度激活能夠被有效抑制，進而減少合成、釋放炎癥介質(zhì)，打斷炎癥介質(zhì)的級聯(lián)反應(yīng)。在LPS刺激下，由于NOS大量生成NO，機體對精氨酸的利用率增加，同時，內(nèi)毒素可誘導(dǎo)精氨酸代謝增強，故體內(nèi)精氨酸水平明顯下降［12-13］。因此，在機體損傷后，細胞存在相應(yīng)的精氨酸缺乏的狀況，且研究表明補充精氨酸可以通過產(chǎn)生NO抑制相應(yīng)的炎性反應(yīng)。

精氨酸具有抗細胞凋亡作用

細胞凋亡是一種特殊細胞死亡形式，在許多方面不同于壞死，它是一個主動的、基因?qū)虻倪^程。越來越多的證據(jù)表明，氨基酸消耗或氨基酸代謝失調(diào)與多種肺部疾病的發(fā)展有關(guān)。氨基酸補充劑通過調(diào)節(jié)黏膜屏障功能、抑制凋亡細胞死亡和通過多種信號通路恢復(fù)上皮屏障的完整性來改善肺穩(wěn)態(tài)。功能性氨基酸對LPS攻擊小鼠的細胞凋亡、炎性反應(yīng)和肺纖維化的保護作用。用霧化精氨酸預(yù)處理暴露于霧化LPS誘導(dǎo)肺損傷的小鼠，精氨酸對于LPS誘導(dǎo)的急性肺損傷的小鼠預(yù)處理后，明顯減少了LPS誘導(dǎo)的膠原沉積和肺泡細胞凋亡，降低了炎癥細胞因子和趨化因子的mRNA水平，并減少了小鼠肺組織中中性粒細胞和巨噬細胞的積累，從而有助于改善肺泡的完整性和功能，有助于改善呼吸功能。研究發(fā)現(xiàn)，B淋巴細胞瘤-2基因（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）是Bcl-2相關(guān)基因的成員，可以通過與其他Bcl-2相關(guān)蛋白質(zhì)家族成員的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用來促進細胞存活，Bcl-2相關(guān)蛋白家族在細胞凋亡的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用。NO與鳥苷酸環(huán)化酶的血紅素部分結(jié)合，并通過催化三磷酸鳥苷向環(huán)鳥苷單磷酸的轉(zhuǎn)化將其活性提高400倍，血管中的平滑肌因三磷酸鳥苷向環(huán)鳥苷單磷酸的升高而松弛，血小板的聚集和粘附也被抑制，白細胞粘附到血管壁受到阻礙，能夠減弱Bcl-2的表達來減少壞死和細胞凋亡，故說明精氨酸的治療可能在亞細胞水平上具有預(yù)防細胞壞死和凋亡的作用［14-15］。

精氨酸具有抗氧化活性

氧化應(yīng)激是指體內(nèi)氧化劑和抗氧化劑的失衡，導(dǎo)致炎癥細胞浸潤，促進細胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和積累，最終導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)。氧化應(yīng)激是自由基產(chǎn)生的負面影響，可導(dǎo)致心血管疾病、癌癥、高血壓、急性呼吸窘迫綜合征、慢性炎癥疾病、缺血/再灌注損傷、帕金森病和阿爾茨海默病以及衰老［16］。氧化應(yīng)激的特點是氧化分子的過度生產(chǎn)，使抗氧化防御系統(tǒng)不堪重負，導(dǎo)致氧化損傷。有文獻表明，補充精氨酸可刺激谷胱甘肽合成來激活Nrf2通路，從而通過Nrf2-Keap1通路上調(diào)抗氧化反應(yīng)元件驅(qū)動的抗氧化劑表達［17］。在生活或者運動中，當抗氧化系統(tǒng)不堪重負產(chǎn)生了過量的活性氧時，就會引發(fā)氧化應(yīng)激，細胞內(nèi)活性氧即超氧陰離子產(chǎn)生不斷增加，而誘導(dǎo)型NOS可促進精氨酸耗盡細胞中超氧陰離子，故補充精氨酸可改變細胞內(nèi)活性氧代謝，由此可減少因氧化應(yīng)激而產(chǎn)生的細胞損傷［18］。在補充精氨酸對雄性大鼠運動表現(xiàn)和氧化應(yīng)激影響的實驗中發(fā)現(xiàn)，補充精氨酸可以改善雄性大鼠的抗氧化能力［19］。因此，精氨酸是抑制氧化應(yīng)激和誘導(dǎo)內(nèi)源性抗氧化反應(yīng)的關(guān)鍵因素。

精氨酸具有增強免疫的作用

精氨酸廣泛參與細胞代謝過程、免疫調(diào)控過程、氨基酸代謝過程、循環(huán)調(diào)節(jié)過程以及創(chuàng)面愈合等過程。而急性肺損傷是由大量炎癥介導(dǎo)的組織受損，其炎癥介質(zhì)一定程度上影響了免疫細胞的增殖，使人體免疫功能低下。研究表明，T淋巴細胞依賴精氨酸進行多種關(guān)鍵生物過程，包括增殖、生成T細胞抗原受體（Tcell receptor，TCR）等，精氨酸能控制糖酵解和線粒體活性，并通過與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的相互作用提高T細胞存活率，在高精氨酸濃度的情況下可以使T細胞保留了分化為Th1效應(yīng)細胞的能力。類似的觀察表明，精氨酸缺乏也可能是手術(shù)或創(chuàng)傷后T細胞功能障礙的一個原因，因此會增加感染的易感性［20-21］。研究發(fā)現(xiàn)，NO通過介導(dǎo)多巴胺和心房利鈉因子的抑制作用對催乳素的釋放進行抑制，而用催乳素處理巨噬細胞會增加細胞炎癥因子的產(chǎn)生，因此表明補充精氨酸通過對催乳素的影響產(chǎn)生了對免疫功能的間接影響［22］。另有文獻表明控制靜脈營養(yǎng)中加入精氨酸后能夠發(fā)揮抗分解作用來降低創(chuàng)傷者體內(nèi)的氮損失，在增加精氨酸劑量后可以使胸腺重量、胸腺淋巴細胞含量升高［23］。

其他

如前所述，精氨酸在精氨酸酶的作用下促進尿素、鳥氨酸以及脯氨酸的形成，它們是多胺形成的前體，可能有助于氣道重塑［24］。除此之外，精氨酸還可以促進傷口的生長和愈合，能夠增加特定傷口區(qū)域的羥脯氨酸沉積，對傷口愈合所需的修復(fù)性膠原蛋白的合成起著至關(guān)重要的作用［25］。

綜上所述，急性肺損傷的重要的病理特征是炎癥級聯(lián)反應(yīng)伴隨彌漫性肺間質(zhì)和肺泡水腫。在出現(xiàn)急性肺損傷時，外源性給予精氨酸有利于打斷炎癥級聯(lián)反應(yīng)、抗細胞凋亡、抗氧化以及增強免疫以減輕肺損傷。